CN105816303A - 一种基于gps和视觉导航的导盲系统及其方法 - Google Patents

一种基于gps和视觉导航的导盲系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于GPS和视觉导航的导盲系统及其方法,包括带扶手的机架、安装在机架上的主控系统、以及分别与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、避障模块、电源模块和驱动模块;人机通信模块包括语音识别模块、蓝牙通讯模块和按键模块;按键模块包括工作模式按键,工作模式按键可在学习模式和路径搜索模式之间切换工作状态;机架上还安装有分别与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。本发明提供的导盲系统,成本低廉,功能齐全,在室内外同时可获得高精度的定位,为盲人在室内外的活动提供了便利。

Description

一种基于GPS和视觉导航的导盲系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种导盲系统及其方法,具体是一种基于GPS和视觉导航的导盲系统及其方法。
背景技术
[0002]盲人与有视力障碍的人群出行一直是一件非常困难的事情,在无人引导的情况下不可能独自出行,因此,出行困难严重影响了该类人群的社交和日常生活。为了解决盲人和有视力障碍的人群出行,国外多采用训练有素的导盲犬来导盲,但是由于导盲犬的训练周期长、服务时间有限、费用昂贵等因素,无法大面积普及。
[0003]近几年,国内也相继研发了多种导盲器具,其应用的导盲系统多采用GPS定位,有些采用安装电子标签方式来识别所规划的路线,甚至需要铺设专用的盲道。GPS定位多适用于户外导航,其定位精度较差,对于步行者来说不但误差大,在室内因信号较弱也无法达到理想效果;安装电子标签方式,需要在沿途增设可识别的电子标签或阅读设备,不但成本较高,也无法根据不同盲人的需要灵活布设。
发明内容
[0004]基于上述原因,本发明提供一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,具有低成本、高效用、多功能的特点,可实现高精度的室内外无缝定位。
[0005]为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,包括带扶手的机架、安装在机架上的主控系统、以及分别与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、避障模块、电源模块和驱动模块;所述人机通信模块包括语音识别模块、蓝牙通讯模块和按键模块;所述按键模块包括工作模式按键,工作模式按键可在学习模式和路径搜索模式之间切换工作状态;所述机架上还安装有分别与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。
[0006]作为上述技术方案的进一步设置:
所述避障模块包括超声波雷达和光电开关。
[0007]所述电源模块采用带保护功能的可充电电池。
[0008]所述导盲系统还包括与主控系统电连接的GMS模块,按键模块还包括电话求助按键,用于通过GMS模块向所绑定的电话求助。
[0009]所述扶手上设有与主控系统电连接的震动提示模块,用于避障时的提示。
[0010]所述机架上还设有太阳能光板和太阳能电池,太阳能电池给GPS模块、避障模块、驱动模块和主控系统供电。
[0011 ]所述驱动模块包括直流电机和舵机组,按键模块包括速度调节按键,用于调节驱动模块直流电机的运行速度。
[0012]所述机架下部安装由舵机组控制的四条腿,每条腿包含三个旋转关节并由三个舵机驱动,每条腿的下部为轮子;扶手上设有手动切换按钮,手动切换按钮用于驱动模块工作模式的切换。
[0013]所述每条腿的上面两个关节长度大于等于20厘米,舵机采用380kg*cm扭矩的舵机。
[0014]所述轮子采用麦克纳姆轮。
[0015]本发明同时还提供一种应用上述导盲系统的导盲方法,其步骤包括以下内容:首先通过人机通信模块设定导航路线,并开启学习模式,由使用者持具有上述导盲系统的导盲设备在规划路径上进行行进,通过三轴加速度传感器预先获得使用者的步长和步频等初始化信息,同时通过双目摄像头记忆沿途的特征点作为日后导航的搜索对比信息;随后开启路径搜索模式,使用者语音设定规划好的路线,导盲系统在GPS模块、电子罗盘、三轴加速度传感器和双目摄像头的共同作用下,实时获取并更新使用者的当前位置,根据使用者的初始化步长和步频信息来实时计算出距离目的地的距离和所需时间;使用者可根据当前路况通过手动切换按钮选择具有上述导盲系统的导盲设备的行进模式,平坦路况选择四轮行进,高低起伏或上下楼梯选择四条腿行走。
[0016]本发明提供的导盲系统,是基于GPS和视觉定位的结合,通过学习模式对路径进行提前学习,获取盲人使用者的个人步长、步频等信息,以及通过双目摄像头对路径上的特征点进行搜索记忆,获取精确导航所需要的初始化信息;再通过路径搜索模式开启导航,将GPS和视觉信息相结合,并利用使用者的步长和步频信息来实时更新盲人的所在位置以及距离目的地的剩余距离和所需时间,来达到室内外的精确定位,使盲人获得更加直观的信息播报。本发明提供的导盲系统,成本低廉,功能齐全,在室内外同时可获得高精度的定位,为盲人在室内外的活动提供了便利。
[0017]以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。
[0018]附图说明:
图1为本发明系统结构原理框图;
图2为本发明的定位原理图;
图3为本发明的腿部结构示意图。
[0019]具体实施方式:
如图1至图3所示,本发明所提供的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,包括带扶手2的机架1、安装在机架I上的主控系统、以及分别与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、避障模块、电源模块和驱动模块;避障模块包括超声波雷达和光电开关,当遇到障碍物时,光电开关或超声波雷达作出避障反应,将信号传送给主控系统处理,并通过人机通信模块给盲人佩戴的蓝牙耳机发出语音提示,使盲人做好转向或停车准备;人机通信模块包括语音识别模块、蓝牙通讯模块和按键模块,语音识别模块是为了方便盲人选择目的地进行路线规划,盲人只需对话筒说出目的地名字,系统就能进行语音识别选择前进路线;按键模块包括工作模式按键,工作模式按键可在学习模式和路径搜索模式之间切换工作状态;机架I上还安装有分别与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。
[0020]为了提升导盲系统在室内外的定位精度,以及在室内外均获得比较理想的定位效果,本发明采用GPS定位外,还采用多传感融合的行人定位技术,实现行人在室内外环境中较高精度的无缝定位,实现定位误差小于2%。即在机架I上安装与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。三轴加速度传感器可根据使用者的移动特征获取其步长和步频等初始化信息,在导航时通过电子罗盘和三轴加速度传感器获得使用者的每一步行走方向,结合其步长可以实时更新其所在的位置,结合其步频可以实时播报距离目的地的距离和所需要的时间,使盲人获得更加直观的位置变化信息。双目摄像头用于拍摄规划路段中的所有便于记忆的特征点,在导航前需通过工作模式按键切换到学习模式并进行初始化记录,系统也可自动切换成学习模式。导航时,切换至路径搜索模式,双目摄像头不断搜索沿途路径的记忆特征点,主要解决人行道的搜索,以达到更好的导航效果。在室外时,GPS模块与电子罗盘、三轴加速度传感器共同完成定位,同时结合双目摄像头视觉图片特征点对比,实现更加精确的定位和高精度导航;在室内,则主要由电子罗盘、三轴加速度传感器与双目摄像头共同作用,完成室内的高精度定位导航。
[0021]上述方案还可进一步优化:
为了防止导盲系统在使用过程中因电量不足而影响正常导航,本发明设计的导盲系统提供两个电源,在机架I上安装太阳能光板和太阳能电池,在阳光充足的户外,太阳能光板将太阳能转换成电能并储存至太阳能电池中,由太阳能电池给GPS模块、GMS模块、避障模块、驱动模块和主控系统供电。当太阳能电池电量不足或在室内,可启用另外一个电源模块供电,该电源模块可通过220V交流电充电,具有充电结束后自动切断电源的保护功能。
[0022]上述导盲系统还包括与主控系统电连接的GMS模块,按键模块还包括电话求助按键,当盲人遇到紧急情况需要求助时,可按下电话求助按键通过GMS模块向所绑定的电话求助。
[0023] 遇到障碍物时,除了通过语音进行提示,还可以通过设置在扶手2上与主控系统电连接的震动提示模块予以提醒。
[0024]为了使具有上述导盲系统的导盲设备能够在平坦路段和高低起伏路段均能行动自如,导盲系统考虑采用两种模式进行驱动,以便适应不同路况,即驱动模块包括直流电机和舵机组,按键模块包括速度调节按键,用于调节驱动模块直流电机的运行速度。为了说明驱动模块在不同路况的工作模式,先考虑具有上述导盲系统的导盲设备的移动方式,本发明考虑采用轮腿结构,即在机架I下部安装由舵机组控制的四条腿,每条腿包含三个旋转关节并由三个舵机驱动,即上关节41由舵机31和舵机32控制,中关节42由舵机32和舵机33控制,腿与地面接触部位可看作是球关节,球关节43由舵机33控制,三个旋转关节均为主动关节,则每条腿具有六个自由度,每条腿的下部即球关节43为麦克纳姆轮,这样可灵活自如的行动,方便转向。
[0025]在扶手2上设有手动切换按钮,手动切换按钮用于驱动模块工作模式的切换。驱动模块具有两种工作模式,模式一为平坦路况模式,模式二为高低起伏路况模式,当启用模式一时,主控系统先控制每条腿的舵机31和舵机32转动,将每条腿的关节41和关节42收缩折叠起来,主控系统控制直流电机转动,导盲设备用四个轮子行走;当切换成模式二时,主控系统控制每条腿的舵机31和舵机32反转,将关节41和关节42展开,主控系统控制舵机组将机器人变成四条腿走路,可以轻松跨越障碍物或上下楼梯。
[0026]上述导盲设备的腿主要用于跨越马路牙子或上下楼梯等高低起伏的路段,因此,参考我国马路牙子和楼梯台阶的高度设计标准,将导盲设备的腿关节41和关节42的长度设计为大于马路牙子和楼梯台阶的高度,即大于等于20厘米,舵机采用380kg*cm扭矩的舵机,这样可以轻松跨越障碍物和上下楼梯。
[0027]本发明同时还提供一种应用上述导盲系统的导盲方法,其步骤包括以下内容:首先通过人机通信模块设定导航路线,并开启学习模式,由使用者持具有上述导盲系统的导盲设备在规划路径上进行行进,通过三轴加速度传感器预先获得使用者的步长和步频等初始化信息,同时通过双目摄像头记忆沿途的特征点作为日后导航的搜索对比信息;随后开启路径搜索模式,使用者语音设定规划好的路线,导盲系统在GPS模块、电子罗盘、三轴加速度传感器和双目摄像头的共同作用下,实时获取并更新使用者的当前位置,根据使用者的初始化步长和步频信息来实时计算出距离目的地的距离和所需时间;使用者可根据当前路况通过手动切换按钮选择具有上述导盲系统的导盲设备的行进模式,平坦路况选择四轮行进,高低起伏或上下楼梯选择四条腿行走。
[0028]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:包括带扶手的机架、安装在机架上的主控系统、以及分别与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、避障模块、电源模块和驱动模块;所述人机通信模块包括语音识别模块、蓝牙通讯模块和按键模块;所述按键模块包括工作模式按键,工作模式按键可在学习模式和路径搜索模式之间切换工作状态;所述机架上还安装有分别与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述避障模块包括超声波雷达和光电开关。
3.根据权利要求1所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述电源模块采用带保护功能的可充电电池。
4.根据权利要求1所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述导盲系统还包括与主控系统电连接的GMS模块,按键模块还包括电话求助按键,用于通过GMS模块向所绑定的电话求助。
5.根据权利要求1所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述扶手上设有与主控系统电连接的震动提示模块,用于避障时的提示。
6.根据权利要求1所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述机架上还设有太阳能光板和太阳能电池,太阳能电池给GPSl^块、避障1¾块、驱动1¾块和主控系统供电。
7.根据权利要求1所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述驱动模块包括直流电机和舵机组,按键模块包括速度调节按键,用于调节驱动模块直流电机的运行速度;所述机架下部安装由舵机组控制的四条腿,每条腿包含三个旋转关节并由三个舵机驱动,每条腿的下部为轮子;扶手上设有手动切换按钮,手动切换按钮用于驱动模块工作模式的切换。
8.根据权利要求7所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述每条腿的上面两个关节长度大于等于20厘米,舵机采用380kg*cm扭矩的舵机。
9.根据权利要求7所述的一种基于GPS和视觉导航的导盲系统,其特征在于:所述轮子采用麦克纳姆轮。
10.一种如权利要求1至9任一一种基于GPS和视觉导航的导盲方法,其特征在于:包括以下内容:首先通过人机通信模块设定导航路线,并开启学习模式,由使用者持具有上述导盲系统的导盲设备在规划路径上进行行进,通过三轴加速度传感器预先获得使用者的步长和步频等初始化信息,同时通过双目摄像头记忆沿途的特征点作为日后导航的搜索对比信息;随后开启路径搜索模式,使用者语音设定规划好的路线,导盲系统在GPS模块、电子罗盘、三轴加速度传感器和双目摄像头的共同作用下,实时获取并更新使用者的当前位置,根据使用者的初始化步长和步频信息来实时计算出距离目的地的距离和所需时间;使用者可根据当前路况通过手动切换按钮选择具有上述导盲系统的导盲设备的行进模式,平坦路况选择四轮行进,高低起伏或上下楼梯选择四条腿行走。
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